在单光子探测的方案中，使用工作于盖革模式下的雪崩光电二极管（APD）,作为固态探测器有独特的优势，并且是需求高性能、操作简单和高可靠性应用的最佳选择[1]。因此又可称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。近年来，很多领域的快速发展离不开SPAD，比如光学通讯[2]和3D成像技术[3]。随着应用需求的提高，SPAD的应用向阵列型、集成化方向发展[4]。为了满足单光子探测的需求，一方面需要研制和开发能够满足应用的高性能新型单光子探测器，不断扩大单光子探测器的阵列规模，达到获得更高的识别度的目的；另一方面，通过完善接口电路的设计来满足大规模阵列面积、低功耗的要求，充分发挥SPAD的性能。
盖革模式[5]是指雪崩光电二极管的反向偏压高于二极管雪崩电压的情况，该模式下雪崩增益非常高，单个光子即可引起雪崩电流输出[6]。工作在盖革模式也会带来一定的问题，由于微小的电压变化便会导致APD的增益系数造成巨大变化[7]，导致各个像素点增益不一致，出现增益的非均匀性，实际应用中会产生很大的误差。除此以外，在光子计数应用中有可能导致部分探测器处于低增益的线性模式，从而导致漏计数，使得主要性能指标的下降。包括光子探测效率(PDE)，暗计数率(DCR)等都会受到很大影响。因此，在集成化的应用中，如何控制每个像素点的过偏压一致就显得尤为重要。
针对这个问题，可以从工艺制造的角度来提高阵列型SPAD的增益均匀型，早在2007年，就有人了提出了采用提高外延材料质量以及PN结精确控制技术的方法[8]，文中比较了刻蚀台面和保护环类型的InGaAs APD阵列的特性，最终选择了保护环型工艺实现了64times;64阵列，样本的击穿电压的变化范围可控制在plusmn;1.5V左右，且指出更好的生长外延层可以用来继续改善其非均匀性。但是诸如此类的通过提高工艺的手段来提高均匀性的方式，总会受到材料技术与设备精度限制，发展较为缓慢，难以解决问题。而阵列型SPAD在使用中需要有配套读出电路，实现雪崩淬灭及雪崩信号处理等功能，因此可以考虑从读出电路的角度对SPAD的解决阵列SPAD过偏压大小非均匀性问题即增益非均匀性[9]问题。设计配套的偏置电路，通过电路调节各个像素点的电压达到一致。
2007年，Y. Gu et al提出一种直接调节电流的方法[10]，通过调节每个像素点的电流相等，来保证每个像素点的过偏压一致，提供了一种电流调节的思路，设计的64times;64 InGaAs APD阵列可调的击穿电压的差别小于1.5V，结构也较为简单，然而文中没有给出电流偏置的具体实现方式，由于实际应用中的存在很多问题，并未受到重视。
2008年，在设计并制造了在1-1.5mu;m波长范围内工作的Gm-APD探测器阵列[11]的时候，开始采用了优化倍增层厚度的方法提高了单光子探测的性能，这种方法同样是在材料上面做出改进，然而效果并不能令人满意，实验发现各个像素点的电压误差在2V左右，仍需要改进。两年后，他们对激光探测成像系统进行了另一种改进，通过在32times;32 InGaAs APD阵列读出电路中添加非均匀偏压校正电路[12]，为每个像素单独提供2.5V范围内的偏置电压可调。根据测试结构表明，利用非均匀偏压电路可以有效减少APD阵列非一致性带来的影响[13]。但是文中没有讲述非均匀偏压电路的实现方法。
2011年，S. Sachidananda等人提出了一种具体的调节过偏压的方法[14]。他们构建了一个反馈系统，利用比较器检测检测SPAD输出脉冲信号幅度，并以此为基准调节探测器阳极偏置电压，保证SPAD在工作温度变化时仍然维持恒定的过偏压。
现在常用的方法均是使阵列型SPAD偏置于电压模式下实现，即直接调节SPAD的反偏电压。电压模式偏置的电路通常需要配有反偏电压调节电路，通过调节SPAD的反向偏压使每一个像素都具有近似一致的过偏压。然而，随着阵列规模越来越大，这种要为每个像素单元的探测器提供可调的反偏电压的方法逐渐暴露出了一些问题：控制端较多，电路极为复杂，电路的设计难度、芯片面积和功耗都过于庞大。如果阵列规模的再进一步扩展以及像素单元面积的缩小，这种直接调节SPAD反偏电压的调节方法几乎不可能实现[15]。
综上所述，目前阵列APD增益调节采用的普遍方法均为电压模式偏置电路，虽然有人提出了电流模式偏置电路，但并未得到进一步的研究；电压模虽然反应速度较快，但在大规模阵列中使用会导致电路设计难度加大，面积和功耗难以满足需求，与实际应用还有一段距离，本课题将从电流模角度重点研究，以满足APD阵列化实用的需求。
参考文献：
[1] Z. Cheng, X. Zheng, D. Palubiak, M. J. Deen and H. Peng, A Comprehensive and Accurate Analytical SPAD Model for Circuit Simulation, in IEEE Transactions on Electron Devices, May 2016, 63(5): 1940-1948.
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